Novinky - Přehled antén přenosových vedení založených na metamateriálech (část 2)

2. Aplikace MTM-TL v anténních systémech
Tato část se zaměří na umělé metamateriálové TL a některé z jejich nejběžnějších a relevantních aplikací pro realizaci různých anténních struktur s nízkou cenou, snadnou výrobou, miniaturizací, širokou šířkou pásma, vysokým ziskem a účinností, schopností skenování širokého rozsahu a nízkým profilem. Jsou diskutovány níže.

1. Širokopásmové a vícefrekvenční antény
V typickém TL s délkou l, když je uvedena úhlová frekvence ω0, lze elektrickou délku (nebo fázi) přenosového vedení vypočítat následovně:

Kde vp představuje fázovou rychlost přenosového vedení. Jak je vidět z výše uvedeného, šířka pásma úzce odpovídá skupinovému zpoždění, které je derivací φ vzhledem k frekvenci. Proto, jak se délka přenosové linky zkracuje, šířka pásma se také rozšiřuje. Jinými slovy, existuje inverzní vztah mezi šířkou pásma a základní fází přenosového vedení, což je specifické pro návrh. To ukazuje, že v tradičních distribuovaných obvodech není snadné ovládat provozní šířku pásma. To lze přičíst omezením tradičních přenosových vedení z hlediska stupňů volnosti. Zatěžovací prvky však umožňují použití dalších parametrů v metamateriálových TL a fázovou odezvu lze do určité míry řídit. Pro zvýšení šířky pásma je nutné mít podobný sklon blízko pracovní frekvence disperzních charakteristik. Tohoto cíle může dosáhnout umělý metamateriál TL. Na základě tohoto přístupu je v článku navrženo mnoho metod pro zvýšení šířky pásma antén. Vědci navrhli a vyrobili dvě širokopásmové antény s dělenými prstencovými rezonátory (viz obrázek 7). Výsledky znázorněné na obrázku 7 ukazují, že po zatížení rezonátoru s děleným prstencem konvenční monopólovou anténou je vybuzen režim s nízkou rezonancí. Velikost rezonátoru s děleným prstencem je optimalizována pro dosažení rezonance blízké rezonanci monopolní antény. Výsledky ukazují, že když se obě rezonance shodují, zvýší se šířka pásma a vyzařovací charakteristiky antény. Délka a šířka monopolní antény jsou 0,25λ0×0,11λ0 a 0,25λ0×0,21λ0 (4 GHz) a délka a šířka monopolní antény zatížené rezonátorem s děleným prstencem jsou 0,29λ0×0,21λ0 (2,9 GHz). ), resp. Pro běžnou anténu ve tvaru F a anténu ve tvaru T bez rezonátoru s děleným prstencem je nejvyšší zisk a účinnost vyzařování naměřená v pásmu 5 GHz 3,6 dBi – 78,5 % a 3,9 dBi – 80,2 %, v tomto pořadí. Pro anténu zatíženou děleným prstencovým rezonátorem jsou tyto parametry 4dBi - 81,2% a 4,4dBi - 83% v pásmu 6GHz. Implementací děleného prstencového rezonátoru jako odpovídající zátěže na monopolní anténě mohou být podporována pásma 2,9 GHz ~ 6,41 GHz a 2,6 GHz ~ 6,6 GHz, což odpovídá dílčím šířkám pásma 75,4 % a ~87 %. Tyto výsledky ukazují, že šířka pásma měření je zlepšena přibližně 2,4krát a 2,11krát ve srovnání s tradičními monopolními anténami přibližně pevné velikosti.

Obrázek 7. Dvě širokopásmové antény zatížené rezonátory s děleným prstencem.

Jak je znázorněno na obrázku 8, jsou ukázány experimentální výsledky kompaktní tištěné monopólové antény. Když je S11≤- 10 dB, operační šířka pásma je 185 % (0,115-2,90 GHz) a při 1,45 GHz je špičkový zisk a účinnost vyzařování 2,35 dBi a 78,8 %. Rozložení antény je podobné trojúhelníkové listové struktuře zády k sobě, která je napájena křivočarým děličem výkonu. Oříznutý GND obsahuje centrální pahýl umístěný pod napáječem a kolem něj jsou rozmístěny čtyři otevřené rezonanční prstence, které rozšiřují šířku pásma antény. Anténa vyzařuje téměř všesměrově a pokrývá většinu pásem VHF a S a všechna pásma UHF a L. Fyzická velikost antény je 48,32×43,72×0,8 mm3 a elektrická velikost je 0,235λ0×0,211λ0×0,003λ0. Má výhody malých rozměrů a nízkých nákladů a má potenciální vyhlídky na uplatnění v širokopásmových bezdrátových komunikačních systémech.

Obrázek 8: Monopolní anténa zatížená rezonátorem s děleným prstencem.

Obrázek 9 znázorňuje rovinnou anténní strukturu sestávající ze dvou párů vzájemně propojených smyček meandrových drátů uzemněných na zemnící rovině ve tvaru komolého T přes dva průchody. Velikost antény je 38,5×36,6 mm2 (0,070λ0×0,067λ0), kde λ0 je vlnová délka volného prostoru 0,55 GHz. Anténa vyzařuje všesměrově v rovině E v pracovním frekvenčním pásmu 0,55 ~ 3,85 GHz, s maximálním ziskem 5,5 dBi na 2,35 GHz a účinností 90,1 %. Díky těmto vlastnostem je navrhovaná anténa vhodná pro různé aplikace, včetně UHF RFID, GSM 900, GPS, KPCS, DCS, IMT-2000, WiMAX, WiFi a Bluetooth.

Obr. 9 Navrhovaná planární struktura antény.

2. Leaky Wave Antenna (LWA)
Nová svodová vlnová anténa je jednou z hlavních aplikací pro realizaci umělého metamateriálu TL. U antén s únikovou vlnou je vliv fázové konstanty β na vyzařovací úhel (θm) a maximální šířku paprsku (Δθ) následující:

L je délka antény, k0 je vlnové číslo ve volném prostoru a λ0 je vlnová délka ve volném prostoru. Všimněte si, že záření nastává pouze tehdy, když |β|

3. Anténa rezonátoru nultého řádu
Jedinečnou vlastností metamateriálu CRLH je, že β může být 0, když frekvence není rovna nule. Na základě této vlastnosti lze generovat nový rezonátor nulového řádu (ZOR). Když je β nula, nedochází k žádnému fázovému posunu v celém rezonátoru. Je to proto, že konstanta fázového posunu φ = - βd = 0. Navíc rezonance závisí pouze na jalovém zatížení a je nezávislá na délce konstrukce. Obrázek 10 ukazuje, že navrhovaná anténa je vyrobena aplikací dvou a tří jednotek ve tvaru E a celková velikost je 0,017λ0 × 0,006λ0 × 0,001λ0 a 0,028λ0 × 0,008λ0 × 0,001λ0, v tomto pořadí, kde λ0 představuje vlnovou délku volného prostoru na pracovních frekvencích 500 MHz a 650 MHz, resp. Anténa pracuje na frekvencích 0,5-1,35 GHz (0,85 GHz) a 0,65-1,85 GHz (1,2 GHz), s relativní šířkou pásma 91,9 % a 96,0 %. Kromě charakteristiky malé velikosti a široké šířky pásma je zisk a účinnost první a druhé antény 5,3 dBi a 85 % (1 GHz) a 5,7 dBi a 90 % (1,4 GHz).

Obr. 10 Navržené struktury antény double-E a triple-E.

4. Slotová anténa
Pro zvětšení otvoru antény CRLH-MTM byla navržena jednoduchá metoda, ale její velikost antény se téměř nemění. Jak je znázorněno na obrázku 11, anténa obsahuje jednotky CRLH naskládané vertikálně na sebe, které obsahují záplaty a meandrové čáry, a na záplatě je štěrbina ve tvaru S. Anténa je napájena CPW odpovídajícím pahýlem a její velikost je 17,5 mm × 32,15 mm × 1,6 mm, což odpovídá 0,204λ0 × 0,375λ0 × 0,018λ0, kde λ0 (3,5 GHz) představuje vlnovou délku volného prostoru. Výsledky ukazují, že anténa pracuje ve frekvenčním pásmu 0,85-7,90 GHz a její pracovní šířka pásma je 161,14 %. Nejvyšší zisk vyzařování a účinnost antény se objevují při 3,5 GHz, což je 5,12 dBi a ~80 %.